科技前沿：SEG智能感知材料為路基增加強(qiáng)健“筋骨”、強(qiáng)韌靈敏“神經(jīng)”
發(fā)布時(shí)間：2024-08-08
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來源：歐美大地
路基安全是交通線路得以健康運(yùn)行的基石；路基失穩(wěn)，將導(dǎo)致道路中斷，甚至可能伴隨嚴(yán)重的安全事故。路基安全問題，長(zhǎng)久以來都是交通領(lǐng)域難以根治的難題，它涵蓋了路基塌陷、邊坡垮塌、崩塌、滑坡等多種類型的災(zāi)害，并且具有規(guī)模小、危害大、隱患多、隱蔽性強(qiáng)、突發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn)，往往導(dǎo)致“小災(zāi)大難”事件的發(fā)生，嚴(yán)重威脅經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和生命健康。2024年5月1日，廣東梅大高速茶陽路段發(fā)生路基垮塌事故，造成重大人員傷亡（見圖1）。事故發(fā)生后，國(guó)家高度重視。5月2日，對(duì)廣東梅州市梅大高速茶陽路段塌方災(zāi)害作出重要指示，明確提出“加強(qiáng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警”；5月6日，國(guó)家自然資源部住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、水利部和應(yīng)急管理部聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)城市地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)防控的通知》，通知指出“建立多方位多參數(shù)監(jiān)測(cè)體系，科學(xué)指導(dǎo)地面塌陷預(yù)警和道路地下病害體整治”。
圖1 梅大高速路基邊坡塌方
目前，高速公路工程中路基監(jiān)測(cè)預(yù)警主要關(guān)注某些離散點(diǎn)的沉降和水平位移等外部變形指標(biāo)。然而，實(shí)踐表明，路基土體破壞通常是從內(nèi)到外的漸進(jìn)式破壞，只有當(dāng)路基內(nèi)部的損傷狀態(tài)發(fā)展到一定程度時(shí)，外部差異沉降等才會(huì)出現(xiàn)顯著變化，這種情況往往導(dǎo)致錯(cuò)過好的加固時(shí)機(jī)。為了克服這一難題，研究人員開始加強(qiáng)對(duì)路基內(nèi)部變形指標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與研究。然而，目前的路基內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)主要依賴非分布式測(cè)量手段（如應(yīng)變片、柔性拉伸計(jì)、光纖光柵傳感器等），這些方法在監(jiān)測(cè)兩個(gè)傳感器之間土體的損傷時(shí)存在明顯的局限性。近年來，基于布里淵散射的分布式光纖技術(shù)逐漸嶄露頭角。這類技術(shù)具有監(jiān)測(cè)精度高、傳感距離長(zhǎng)、不受電磁干擾等諸多優(yōu)點(diǎn)。然而，其光纖分布式應(yīng)變測(cè)量范圍通常小于2%，較難實(shí)現(xiàn)路基土體災(zāi)變?nèi)^程（最大應(yīng)變達(dá)15%）的感知，且存在解調(diào)儀價(jià)格昂貴、光纖材料易損壞等問題，制約了該技術(shù)在路基全壽命周期內(nèi)分布式變形監(jiān)測(cè)中的大面積應(yīng)用。鑒于此，開發(fā)一種更加有效的手段對(duì)拓寬路基土體災(zāi)變?nèi)^程中的分布式變形進(jìn)行全壽命周期監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。
SEG智能感知材料研發(fā)
近些年，由于土工合成材料（如土工格柵等）在路基工程中的廣泛應(yīng)用，山東大學(xué)崔新壯教授課題組通過多學(xué)科交叉，研制了一種新型智能感知土工合成材料（Sensing geosynthetics, SEG）（見圖2），利用SEG智能感知土工材料的拉敏效應(yīng)提出了面向拓寬路基內(nèi)部筋材的分布式變形自檢測(cè)技術(shù)。
圖2 智能感知土工合成材料(SEG)加筋路基監(jiān)測(cè)預(yù)警動(dòng)畫
同時(shí)，建立了一套成熟的智能感知土工帶生產(chǎn)線及配套設(shè)備系統(tǒng)，包括混拌系統(tǒng)、固化成型系統(tǒng)、熱縮管封裝工藝等，如圖3所示。為實(shí)現(xiàn)路基全鋪面變形感知，進(jìn)一步基于二次節(jié)點(diǎn)注塑技術(shù)研發(fā)了一款兼具加筋與感知功能的智能高摩阻土工格柵SGG（見圖4），為路基增加了強(qiáng)健的“筋骨”和強(qiáng)韌靈敏的“神經(jīng)”。
圖3 SEG智能土工條帶生產(chǎn)工藝
圖4 SGG示意圖及規(guī)模化生成設(shè)備
該智能感知土工合成材料耐久性好、成本低、應(yīng)變測(cè)量范圍大，能夠?qū)崿F(xiàn)拓寬路基土體災(zāi)變?nèi)^程的變形感知，且自檢測(cè)技術(shù)不需要在材料內(nèi)部埋入傳感器，避免了因?yàn)橥獠總鞲衅鞯闹踩胍鸩牧系膹?qiáng)度和性能下降等現(xiàn)象。
SEG智能感知材料探索
為進(jìn)一步探索SEG智能感知材料的應(yīng)用，研究團(tuán)隊(duì)開展了智能感知土工合成材料性能表征及傳感機(jī)理研究工作，通過研究智能感知土工合成材料滲濾現(xiàn)象和微觀導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（見圖5），揭示其導(dǎo)電機(jī)理，確定了導(dǎo)電填料目標(biāo)摻量；另外，通過開展智能感知土工合成材料拉敏試驗(yàn)，研究了智能感知土工合成材料拉敏特征曲線，建立了智能感知土工合成材料變形-電阻本構(gòu)模型（見圖6）。
圖5 SEG智能感知土工材料滲濾效應(yīng)
圖6 SEG智能感知土工材料拉敏曲線及本構(gòu)模型
基于SEG智能感知材料的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)
基于SEG的路基安全預(yù)警系統(tǒng)（見圖7）是為實(shí)現(xiàn)SEG對(duì)路基及邊坡等巖土工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)而研發(fā)的一種自動(dòng)化安全預(yù)警系統(tǒng)，可通過對(duì)路基的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)了解和掌握路基及其邊坡的滑裂、塌陷等災(zāi)變的演化過程，捕捉災(zāi)變的特征信息，為路基災(zāi)變的正確分析、評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)及治理提供可靠數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。路基安全預(yù)警系統(tǒng)軟件主要依靠?jī)?nèi)置敏感元件所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、存儲(chǔ)、解析，并以手機(jī)APP的形式反饋到手機(jī)客戶端（見圖8），同時(shí)能夠通過網(wǎng)頁端進(jìn)行訪問，按照指定的協(xié)議進(jìn)行手機(jī)端、后臺(tái)端的在線評(píng)估及預(yù)警。
圖7 基于SEG的路基安全預(yù)警系統(tǒng)界面
圖8 基于SEG的路基安全預(yù)警系統(tǒng)手機(jī)APP界面
另外，團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了與路基安全預(yù)警系統(tǒng)配套的硬件裝置，其核心構(gòu)件為SEG智能監(jiān)測(cè)單元，如圖9所示。智能監(jiān)測(cè)單元的主要功能部件包括：數(shù)據(jù)采集單元、溫濕度變送器和信號(hào)發(fā)射器等，可在供電狀態(tài)下對(duì)SEG的數(shù)據(jù)進(jìn)行模塊化采集。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號(hào)發(fā)射器發(fā)送至云端服務(wù)器，可從軟件系統(tǒng)中查詢數(shù)據(jù)。硬件系統(tǒng)還包括太陽能供電系統(tǒng)（見圖10），保證智能監(jiān)測(cè)單元在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中能夠不間斷服役。太陽能供電系統(tǒng)包括太陽能電池板、蓄電池、工作箱等構(gòu)件。
圖9 SEG智能感知土工材料拉敏曲線及本構(gòu)模型
圖10 SEG智能感知土工材料拉敏曲線及本構(gòu)模型
應(yīng)用及科研獎(jiǎng)勵(lì)
目前，該技術(shù)已經(jīng)在京臺(tái)高速改擴(kuò)建、濰日高速采石坑高填方路基及濟(jì)南繞城高速公路等國(guó)家重點(diǎn)工程項(xiàng)目中實(shí)際應(yīng)用，為高速公路的安全運(yùn)營(yíng)發(fā)揮了重要的作用。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)在智能土工合成材料取得的相關(guān)研究成果獲得了多項(xiàng)國(guó)家、省部級(jí)及學(xué)會(huì)獎(jiǎng)勵(lì)，包括2019年國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)（“黃河中下游地區(qū)粉土路基建造支撐技術(shù)及工程應(yīng)用”）、2022年山東省科學(xué)進(jìn)步一等獎(jiǎng)（“改擴(kuò)建高速公路路基差異沉降智能感知、預(yù)警與精細(xì)化控制及應(yīng)用”）以及2024年中國(guó)交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)科學(xué)進(jìn)步一等獎(jiǎng)（“改擴(kuò)建高速公路新舊路基差異沉降綠色智能調(diào)控技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用”）等。
歐美大地積極與國(guó)內(nèi)高校及科研院所開展“產(chǎn)-學(xué)-研”合作項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)“資源共享、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)”。為科研單位提供完善的市場(chǎng)推廣及銷售渠道，助力科研成果向市場(chǎng)應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，將更好的技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際。
